固态成像装置和照相机的制作方法

专利名称：固态成像装置和照相机的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及固态成像装置及照相机。更具体地，本发明涉及一种 固态成像装置以及设置有这种固态成像装置的照相机。
背景技术：
固态成像装置大致分为以CMOS (互补金属氧化物半导体)图像传感 器为代表的放大型固态成像装置和以CCD (电荷耦合装置)图像传感器为 代表的电荷转移型成像装置。
对于CMOS图像传感器，由于它的高性能和低功耗特性，以CMOS图
置的图像传感器领域中。CMOS图像传感器设置为包括成像部分，具有规 则地布置成二维阵列的多个像素，每个像素包括数个像素晶体管和用作光电 转换元件的光电二极管(PD);和围绕成像部分配置的外围电路。
外围电路至少包括列电路(所谓的垂直驱动单元)，沿列方向传送信 号；和水平电路(所谓的水平驱动单元)，顺序地将通过列电路以列的方式 传送的信号传送至输出电路。像素晶体管具有已知的构造，例如，包括转移、 重置、放大和选择晶体管的四晶体管的电路构造；或者包括除选择晶体管之 外的转移、重置和放大晶体管的三晶体管的电路构造。
CMOS图像传感器通常通过布置多个单元像素作为一组来设置，其中每 个单元像素包括一个光电二极管和数个像素晶体管。近年来，像素尺寸的小 型化显著。对于包括大量像素的CMOS成像传感器，已知的是许多CMOS 图像传感器构造为多个像素共用像素晶体管以减小每单元像素的像素晶体 管数量。
作为改善灵敏度同时保持分辨率且不降低像素尺寸的方法，已知的是通 过像素的倾斜布置(slant arrangement)改善灵敏度。此外，同样已知的是改 善像素中的发光度信号灵敏度(luminosity signal sensitivity )，这是通过采用 白色像素或者可选择的灰色像素来实现(参考日本未审查专利申请公开No.2003-199117、日本未审查专利申请公开No.2003-318375、日本未审查专 利申请公开No.2007-53731、和日本未审查专利申请公开No.2002-135792 )。 图1示意性地示出在专利文件4中披露的包括白色像素的图像传感器。在该 图像传感器102中，如图l所示， 一个单元通过在纵向和横向分别包括两个 像素，总共四个像素而形成，即，红色像素101R、绿色像素101G、蓝色像 素101B和白色像素大量布置在单元中以形成像素单元，并且大量如此形成 的像素单元结构二维布置。顺带提及，对于像素的倾斜布置，注意到纵向和 横向的分辨率可以保持，而倾斜方向的分辨率下降。

发明内容
在固态成像装置中，像素尺寸减小可能引起像素特性退化。例如，像素 区域减小直接导致入射光子数目的降低。也就是，每个像素的输出降低，信 噪比恶化。另一方面，图像传感器模块的小型化处于迫切需求中，并且增加 像素数目的需求目前没有降低。对于由减小的像素尺寸引起的像素特性退 化，单元像素的特性已经通过改善制造工艺和像素结构而改善，并且图片图 像的完成也通过图像处理技术的发展而正在得到改善。然而，对于例如上述 灵敏度的纯光学特性，包括混色的退化趋势正以加速的步伐前进，并具有适 当的光会聚中的额外的困难。
另 一方面，已经发现了使用白色像素的图像传感器102的问题之一在于 与布置在相同成像部分中的分别用于红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)的 不同颜色的颜色像素101R、 101G和101B的光电二极管相比，用作白色像 素101W的光电转换元件的光电二极管更迅速地饱和。对于具有相对较低的 工作电压的图像传感器，例如CMOS图像传感器，光电二极管的耗尽电势 相对较浅并且电荷积累的量不够大。因此，如图2示意性示出的，在提供有 红色像素101R、绿色像素101G、蓝色像素101B和白色像素101W的前述 图像传感器102中，在高密度光L入射的情形下无法采取合适的手段处理光 电二极管中引起的满溢，随后电荷3将从在先饱和的像素(图中的白色像素 01W)泄漏而进入邻近的像素(图中的红色像素101R和蓝色像素101B)， 也就是，发生了混色。因此，即使白色像素的发光度信号灵敏度增加，可以 处理的光量仅仅至多到不使白色像素光电二极管饱和的程度。在该情形下， 对于其它颜色像素，例如红色、绿色和蓝色像素的输出信号水平，每个只可以输出光电二极管额定输出范围的大约二分之一 。
鉴于上述的和其它的困难，期望提供一种固态成像装置，能够有效地处 理强入射光并改善每个颜色像素的输出范围，同时通过包括白色像素寻求灵 敏度的改善，并且期望提供一种设置有这种固态成像装置的照相机。
根据本发明实施例的固态成像装置，包括包括元件组的成像部分和围
绕成像部分配置外的围电路。元件组包括颜色光电转换元件，构造为将在 第一、第二和第三波长范围内的光信号分别转换成电信号；白色光电转换元 件，构造为将在包括整个可见光范围和部分红外光范围的波长范围内的光信 号转换成电信号；和遮光二极管元件，构造为被遮光。在成像部分中，通过 包括白色光电转换元件和遮光二极管元件来对应于一个颜色光电转换元件 而形成单元，在该单元内，白色光电转换元件通过满溢通路与遮光二极管元 件电连接。
根据本发明实施例的照相机，包括固态成像装置；光学系统，构造为 将入射光引导至包括在固态成像装置中的光电转换元件；和信号处理单元， 构造为处理来自固态成像装置的输出信号。固态成像装置包括元件组，该元 件组包括颜色光电转换元件，构造为将在第一、第二和第三波长范围内的 光信号分别转换成电信号；白色光电转换元件，构造为将在包括整个可见光 范围和部分红外光范围的波长范围内的光信号转换成电信号；和遮光二极管 元件，构造为被遮光。通过包括白色光电转换元件和遮光二极管元件来对应 于一个颜色光电转换元件而形成单元，在该单元内，白色光电转换元件通过 满溢通路与遮光二极管元件电连接。
根据本发明实施例的固态成像装置至少包括白色光电转换元件和遮光 二极管元件，该两个元件通过满溢通路彼此连接。通过该固态成像装置的结 构，当高强度的光入射到白色光电转换元件时，从白色光电转换元件满溢的 电荷进入并积累在遮光二极管元件中。因此，白色光电转换元件的饱和电荷 等于累计在白色光电转换元件和遮光二极管元件中的量的总和。另 一方面， 在每个颜色光电转换元件中，电荷可以适当地积累以对于光电转换元件产生 额定输出水平的信号。
通过根据本发明实施例的固态成像装置，可以通过增加白色光电转换元
件的饱和电荷量来改善发光度信号灵敏度。此外，改善了每个颜色光电转换 元件的输出信号范围。通过根据本发明实施例的照相机，通过结合上述固态成像装置可以获得高灵敏度和高输出的图片图像。


将参考下面的图详细描述本发明的优选实施例，其中
图1是在图像传感器中包括白色像素的现有技术像素结构的示意图2是为了解释现有技术难点而制作的包括于图像传感器中的像素结构
的另 一个现有技术的主要部分的示意图。
图3是概括地图解用于根据本发明实施例的固态成像装置的构造的图； 图4是图解根据本发明第一实施例的成像部分的主要部分的示意图； 图5A是图解包括于用于根据本发明第一实施例的固态成像装置的一个
单元中的像素结构的示意图5B是沿图5A的线A-A截取的横截面图； 图5C是沿图5A的线B-B截取的横截面图6A是图解包括于用于根据本发明第一实施例的固态成像装置的一个 单元中的像素的电子结构的示意图6B是图解图6A结构的饱和电荷和输出信号范围的电势示意图7A是为了对比来图解包括于一个单元中的像素的电子结构的示意
图7B是图解图7A结构的饱和电荷和输出信号范围的电势示意图8A是包括于用于根据本发明第一实施例的固态成像装置的一个单元
中的白色光电二极管、遮光二极管、和满溢路径的横截面图8B是图解示意性地示于沿图8A的线x-x截取的横截面图中的结构运
行的电势示意图9是图解根据本发明第二实施例的成像部分的主要部分的示意图； 图10是图解根据本发明第三实施例的成像部分的主要部分的示意图； 图11是图解根据本发明第三实施例的包括示范性波导结构的成像部分
的主要部分的示意图12是图解根据本发明第三实施例的包括另一个示范性波导结构的成
像部分的主要部分的示意图13是图解根据本发明第四实施例的成像部分的主要部分的示意图； 图14是概括地图解用于根据本发明实施例的固态成像装置的另一个构造的图15A是图解包括于用于根据本发明第五实施例的固态成像装置的一 个单元中的像素结构的示意图15B是沿图15A的线C-C截取的横截面图； 图15C是沿图15A的线D-D截取的横截面图16A是图解包括于根据本发明第七实施例的一个单元中的像素结构 的示意图16B是沿图16A的线C-C截取的横截面图； 图16C是沿图16A的线D-D截取的横截面图； 图17图解根据本发明实施例的照相机构造的简化示意图。
具体实施例方式
下面将参考附图基于多个实施例来描述本发明，然而，并不是要穷举或
将本发明限制于实施例中所披露的和图中所示出的内容。
图3概括地图解用于根据本发明实施例的固态成像装置或CMOS图像 传感器的装置构造。参考图3，根据本实施例的固态成像装置1包括成像 部分3 (所谓的像素部分)，具有二维规则布置的多个像素2;和围绕成像部 分3配置的外围电路，例如垂直驱动单元4、水平转移单元5和输出单元6。 每个像素2通过包括数个像素晶体管(MOS晶体管)Tr和用作光电转换元 件的光电二极管PD来设置。
光电二极管PD形成有构造为以入射光进行光电转化并积累光电转换产 生的信号电荷的区域。在本示例中，该数个像素晶体管Tr包括四个MOS晶 体管，例如转移晶体管Trl、重置晶体管Tr2、放大晶体管Tr3和选择晶体管 Tr4。转移晶体管Trl用作将积累在光电二极管PD中的光电信号电荷读出至 浮置扩散区(FD)的晶体管。重置晶体管Tr2是将浮置扩散区(FD)的电 势设定到预定值的晶体管。放大晶体管Tr3用来电学地放大读出至浮置扩散 区(FD)的信号电荷。选择晶体管Tr4用于选择像素线并将其中的像素信号 读出至垂直信号线8。此外，尽管这里没有示出，可选择地，像素可以由光 电二极管和三个晶体管形成，这三个晶体管包括除选择晶体管Tr4之外的转 移、重置和放大晶体管。
在像素2的电路构造中，转移晶体管Trl的源极连接至光电二极管PD，转移晶体管Trl的漏极与重置晶体管Tr2的源极连接。用作电荷电压转换装 置的浮置扩散区(PD)配置在转移晶体管Trl和重置晶体管Tr2之间(等效 于转移晶体管的漏极区和重置晶体管的源极区)，且浮置扩散区(FD)与放
大晶体管Tr3的栅极连接。放大晶体管Tr3的源极连接选择晶体管Tr4的漏 极。重置晶体管Tr2和放大晶体管Tr3的漏极都连接源电压供给单元。此外， 选择晶体管Tr4的源极与垂直信号线8连接。
垂直驱动单元4构造为分别提供行重置信号cJ)RST以公共地施加到布置 于一行中的像素的重置晶体管Tr2的栅极，提供行转移信号cj) TRG以公共地 施加到布置在该行中的像素的转移晶体管的栅极，以及提供行选择信号4) SEL以公共地施加到布置在该行中的像素的选择晶体管Tr4的栅极。
水平驱动单元5设置为包括与每列的垂直信号线8连接的放大器或者 模数转换器(ADC)，例如本示例中的模数转换器9;列选择电路(开关装 置)SW;和水平转移线10(例如，由与数据位线同等数量的配线构成的母 线)。本示例的输出单元6设置为包括另 一个放大器或者数模转换器和/或 信号处理电路，例如处理来自水平转移线10的输出的信号处理电路11;和 输出緩冲器12。
固态成像装置1构造为来自每行上的像素2的信号通过每个数模转换器 9进行数模转换，通过依次被选择的列选择电路SW读出至水平转移线10， 并依次沿水平方向转移。读出至水平转移线10的图像数据依次通过信号处 理电路自输出緩冲器输出。
一般地，像素2的运行如下进行。首先，通过使转移晶体管Trl和重置 晶体管Tr2的栅极为导通状态(on-state),而将光电二极管PD中的电荷全 部清除。此后，使转移晶体管Trl和重置晶体管Tr2的栅极为截止状态 (off-state),进行光电电荷积累。接着，在即将读出积累在光电二极管PD 中的光电电荷之前，重置晶体管Tr2的栅极导通并且浮置扩散区(FD)的电 势被重置。随后，通过分别将重置晶体管Tr2的栅极改变至截止状态并把转 移晶体管Trl的栅极改变至导通状态，来自光电二极管PD的光电电荷被转 移至浮置扩散区(FD)。放大晶体管Tr3构造为基于其栅极接收的电荷电学 地放大信号电荷。另一方面，自即将电荷读出前浮置扩散区电势的上述重置 时刻，选择晶体管Tr4仅为当前要读出的像素为导通状态，随后已进行电荷 -电压转换并由包括于当前选定的像素中的放大晶体管Tr3提供的图像信号读出至水平信号线8。
此外，根据本实施例，在上述的固态成像装置1中，构造了像素，同时 寻求通过包括白色像素来改善灵敏度，从而能够有效地处理强入射光并改善 每种颜色的像素的输出范围。也就是，尽管白色像素包括于本实施例的装置 中，但是像素构造为即使接收高强度入射光时也可以防止混色(混色由从白 色像素到邻近像素的电荷泄漏引起)，而且可以得到每种颜色的像素的预定 输出信号范围而不被白色像素的饱和电荷量影响。这里注意，上述颜色像素 是每个包括颜色光电转换元件的颜色像素，颜色光电转换元件构造为分别将 在第一、第二、和第三波长范围内的光信号转换成电信号。也就是，设置为 上述颜色像素的是每个像素包括红、绿、或蓝基色滤色器，或者是每个像素
包括青、洋红、或黄补色(complementary color )滤色器。
图4是图解包括于根据本发明第 一实施例的固态成像装置中的成像部分 的主要部分的示意图。该图概略地图解了成像部分中的像素构造，尤其是用 作构成像素的光电转换元件的光电二极管的布置构造。在本实施例中，光电 转换元件包括光电二极管组，该光电二极管组包括构造为将在红色(R)、 绿色(G)和蓝色(B)的各个波长范围内的光信号转换成电信号的颜色光 电二极管PD (后面分别称作红色光电二极管PDr、绿色光电二极管PDg和 蓝色光电二极管PDb);构造为将在包括整个可见光范围和部分红外光范围 的波长范围内的光信号转换成另外的电信号的另一个光电二极管(后面称作 白色光电二极管PDw);以及遮光的再一个二极管(后面称作遮光二极管 Dls)。
这些光电二极管PDr、 PDg、 PDb和PDw以及二极管Dls布置成正方形
的布置，从而构成沿垂直和水平方向各具有两个、总共四个光电二极管的一
个单元，如稍后所述。也就是，在该单元内，能够允许光入射的两个光电二
极管PD沿第一对角线配置，被金属配线遮蔽的两个二极管Dlsl和Dls2沿
与第一对角线垂直的第二对角线配置。能够允许光入射的上述两个光电二极
管中的一个是设置有红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)之一的滤色器的光
电二极管，即为红色光电二极管PDr、绿色光电二极管PDg和蓝色光电二极
管PDb中的一个。上述两个光电二极管PD中的另一个是设置有透明滤色器
的白色光电二极管，不具有分离颜色的滤色器。
红色光电二极管PDr、绿色光电二极管PDg和蓝色光电二极管PDb的组以拜耳布置(Bayer arrangement)来配置。将入射光聚集到光电二极管PD 上的芯片上透镜(on-chip lens ) 21只配置在每个具有光的开口的红色光电二 极管PDr、绿色光电二极管PDg和蓝色光电二极管PDb以及白色光电二极 管PDw之上。即，尽管光电二极管为正方形布置，但是芯片上透镜21设置 为倾斜布置。此外，每个滤色器各自具有红色、绿色和蓝色的各种滤色器部 件以及白色(透明)滤色器部件。这些滤色器部件设置为倾斜布置，并且红 色、绿色和蓝色滤色器部件设置为拜耳布置。
此外，各个光电二极管和二极管(实质上是各个像素)通过器件隔离区 而彼此隔开，同时白色光电二极管PDw和两个遮光二极管Dlsl和Dls2通过 满溢通路(overflow path ) 22而在每个上述的单元中相互连接。
图5A、 5B和5C是示意性图解包括于用于根据本发明第一实施例的固 态成像装置的一个单元中的像素结构的示意图。参考图5A，该单元形成为 包括沿垂直和水平方向各两个、总共四个像素；沿一个对角线设置红色、绿 色和蓝色(RGB)颜色像素中的一个颜色像素2c和一个白色像素2w;沿另 一个对角线设置两个遮光像素21s(21sl和21s2)。颜色像素2c、白色像素2w 和遮光像素21s每个通过例如杂质区的器件隔离区23而进行器件隔离。每个 像素2c、 2w和21s由光电二极管PDc (PDr、 PDg、或PDb )中的一个光电 二极管、PDw和二极管Dls以及数个像素晶体管Tr构成。设置为图中的数 个像素晶体管Tr的是具有转移栅极电极25的转移晶体管Trl、具有重置栅 极电极26的重置晶体管Tr2、具有放大栅极电极27的放大晶体管Tr3和具 有选择栅极电极28的选择晶体管Tr4。图中的区域29是浮置扩散区(FD)， 区域30是源极区或者漏极区。
如图5B(沿图5A的线A-A截取的截面视图)和5C(沿图5A的线B-B 截取的截面视图)所示，每个光电二极管这样来形成通过在具有第一导电 类型(本示例中为p型)的半导体阱区31中设置具有与第一导电类型相反 的第二导电类型(即n型)的作为电荷积累区的半导体区32,并且通过在半 导体32的表面侧进一步设置作为电荷积累层的p型半导体区33。器件隔离 区23由p型半导体区形成。
用于连接白色光电二极管PDw和遮光二极管Dls (Dlsl, Dls2)的满溢 通路22以p-或者n-区(即本示例中的n-区)形成在器件隔离区23中。 位于没有像素晶体管Tr形成在其表面侧的区域下方的满溢通路22可以形成在相对浅的区域中，如图5B所示。作为对比，位于像素晶体管Tr形成在其 表面侧的区域下方的另 一个满溢通路22可以形成在距离像素晶体管Tr相对 深的区域中，如图5C所示。
光电二极管PD (PDc, PDw)和二极管(Dls)每个由具有相同面积和 相同杂质浓度的半导体区域形成。也就是，光电二极管PD和二极管(Dls) 可以形成为具有相同量的饱和电荷。
接着，将描述根据本发明第一实施例的固态成像装置的运行。当光入射 到白色光电二极管PDw上时，信号电荷积累在白色光电二极管PDw中。如 果白色光电二极管PDw迅速饱和，则额外的信号电荷越过满溢势垒(J)V并 通过满溢通路22进入到邻近的遮光二极管Dls (Dlsl, Dls2),并随后积累 在遮光二极管中，如图8A和8B所示。因此，白色像素2w的饱和电荷等于 三个二极管中积累量的总和，该三个二极管例如为具有入射光的白色光电二 极管PDw和相邻的两个遮光二4及管Dlsl和Dls2。另一方面，对于每个颜色 光电二极管PDr、 PDg和PDb,信号电荷的积累可以达到单独的信号电荷饱 和量。
通过根据第一实施例的固态成像装置，由于白色像素2w的饱和电荷等 于三个二极管(例如一个白色光电二极管PDw和相邻的两个遮光二极管Dlsl 和Dls2)的总和，所以红色、绿色和蓝色像素2r、 2g和2b的输出信号范围 不会减小，即使白色像素2w的信号电荷迅速饱和。也就是，颜色像素2r、 2g和2b的光电二极管PDr、 PDg和PDb可以被利用到达各自的饱和电荷额 定量。如图6A和6B的示意图所示，来自白色像素2w和遮光像素21s的信 号电荷以三个独立的步骤通过各自的转移晶体管Trl读出至每个浮置扩散区 (FD ) 28。因此，由于如前所述光电二极管PDc和PDw以及二极管PDlsl 和PDls2的尺寸相同，所以二极管可以通过以相同的设计制造。此外，由于 对于白色像素2w和每个颜色像素2c (2r、 2g、 2b )来说光电二极管的饱和 电荷量相同，所以输出信号范围D也变得相同(见图6B)。
顺带提及，还检测了示于图7A和7B中的进一步试验性的结构，其中 白色光电二极管PDw通过结合遮光二极管和白色光电二极管而形成，并且 一个单元通过使白色光电二极管PDw和颜色光电二极管PDc分为一组而形 成。在该结构中，由于光电二极管PDc和PDw之间的尺寸彼此显著不同， 所以有必要进行为适合运行而进行各自的优化。也就是，为了读出白色光电二极管PDw中位于远离转移栅极电极25的区域中的电荷el (见图7A)，需 要产生电势梯度使得朝向转移栅极电极下方的沟道区域电势变得更深。此 外，通过该结构，由于白色信号的范围Dw与颜色信号的范围Dc相比较大， 如图7B所示，所以随后来自白色光电二极管的信号电荷在浮置扩散区(FD ) 满溢，除非电荷-电压转换速率下降。如果电荷-电压转换速率下降，则在低 的照明水平下装置更容易受到电路噪音的影响。与上述的试验性结构相反， 注意到刚才提到的不便并未在根据本发明上述实施例的装置中发生。
此外，白色像素2w的光电二极管PDw以及红色像素2r、绿色像素2g、 蓝色像素2b的光电二极管PDr、 PDg和PDb并未彼此邻近放置，并且遮光 二极管Dls形成在它们之间。结果，在红色像素2r、绿色像素2g和蓝色像 素2b中从一个光电二极管到另一个的电学混色，以及由遮光布线下方的光 折射和/或反射引起的光学混色得到了改善。此外，从白色像素2w到颜色像 素2c(2r、 2g、 2b)的信号电荷泄漏被抑制。即，可以改善颜色分离的能力。
如上所述，通过根据本实施例的固态成像装置，通过包括白色像素2w 而寻求灵敏度的改善的同时，可以合适地处理强入射光并改善每个颜色像素 2r、 2g和2b的输出信号范围。也就是，可以改善发光度信号灵敏度，而不 会牺牲颜色信号的动态范围。此外，通过设置遮光二极管Dls,可以抑制混 色并且可以改善颜色的再现性。
在本发明的一个实施例中，遮光区域的面积增加，空间上对应于接收光 的光电二极管的开口的面积与芯片上透镜的面积相比相对较小。也就是，这 意味着变得难以聚光。尤其是对于CMOS图像传感器，由于在最上层上的 金属布线的开口和光电二极管的光接受表面之间距离相对较大，所以金属布 线的开口的减小会造成降低灵敏度的危险。在开口减小以及到光电二极管表 面的距离增大的情形下，设置内部透镜和/或波导结构是有效的。
图9是图解用于根据本发明第二实施例的设置有内部透镜的固态成像装 置的另一个构造的示意图。示于图9中的第二实施例的结构具有相似于图4 的像素构造，其中构造为接收入射光的像素，例如白色像素2w和颜色像素 2c (2r、 2g、 2b)代表地由单独的符号(光电二极管PDA)示出，遮光像素 21s代表地由另一个单独的符号(二极管Dls)示出。在在先形成的像素的上 部，通过包括多层金属布线37以及形成在其间的层间绝缘膜36而形成多级 布线层38，滤色器40和芯片上透镜21形成在该结构上，并且在下方的平坦化膜39位于多级布线层38和滤色器40之间。最上层的金属布线37也用作 遮光膜，遮光二极管Dls通过最上层的金属布线37来遮蔽光。最上层的金 属布线37的开口的面积37A形成为与芯片上透镜21相比相对地较窄。
在本实施例中，内部透镜43由具有不同折射率的绝缘膜(例如氮化硅 膜41和氧化硅膜42)形成在与包括于接受光的像素中的光电二极管PDa相 对的区域中，例如在多级布线层38和滤色器40之间。作为内部透镜43,可 以合适地使用凸透镜或者凹透镜。由于其它的结构特征类似于前述的根据第 一实施例的结构特征，所以在此省略其重复描述。
根据第二实施例的固态成像装置，通过形成内部透镜43，即使在开口 37A相对较窄的情形下，也可以改善到光电二极管PDa的聚光效率，并可以 防止灵敏度的下降。此外，由于其具有相似于第一实施例的像素结构，所以 与第一实施例结构的前述效果相似的效果也可以通过本结构得到，例如改善 发光度信号灵敏度而不牺牲颜色信号的动态范围、抑制混色并从而改善颜色 的再现性等。
图10是图解用于根据本发明第三实施例的设置有波导结构的固态成像 装置的构造的示意图。在本示例中，波导结构设置有内部透镜。示于图10 中的第三实施例的结构具有类似于图4的像素构造，其中接收入射光的像素， 例如白色像素2w和颜色像素2c (2r、 2g、 2b )由单独的符号即光电二极管 PDa代表，遮光像素21s由另一个单独的符号即二极管Dls代表。以与上述 参考图9描述的方式相似的方式，通过包括多层金属布线37以及形成在其 间的层间绝缘膜36而在在先形成的像素上形成多级布线层38,滤色器40 和芯片上透镜21形成在该结构上，并且在下方的平坦化膜39在多级布线层 38和滤色器40之间。最上层的金属布线37也用作遮光膜，遮光二极管Dls 通过最上层的金属布线37来遮蔽光。最上层的金属布线37的开口的面积 37A形成为与芯片上透镜21相比相对地较窄。
在本实施例中，波导结构44形成在与包括于接受光的像素中的光电二 极管PDA相对的区域中，即在形成在多级布线层38中的开口区域中。如图 ll所示，例如，波导结构44可以使用具有彼此不同的折射率的绝缘膜来形 成核部分44a和盖部分(clad part) 44b来制造。可选4奪地，如图12所示， 波导结构可以通过在多级布线层38中的开口区域的侧壁上形成反射金属膜 45来制造。此外，内部透镜43使用彼此具有不同折射率的绝缘膜(例如氮
15化硅膜41和氧化硅膜42 )形成在多级布线层38和滤色器40之间与光电二 极管PDA相对的区域中。作为内部透镜43,可以合适地使用凸透镜或者凹 透镜。由于其它的结构特征类似于前述的根据第一实施例的结构特征，所以 在此省略其重复描述。顺带提及，可选择地，只具有波导结构44的构造也 是可以的，省略内部透镜43。
根据第三实施例的固态成像装置通过形成波导结构44,即使在开口 37A 相对较窄的情形下，也可以改善到光电二极管PDa的聚光效率，并可以防止 灵敏度的下降。此外，由于其具有类似于第一实施例的像素结构，所以与第 一实施例结构的前述效果相似的效果也可以通过本结构得到，例如改善发光 度信号灵敏度而不牺牲颜色信号的动态范围、抑制混色并从而改善颜色的再 现性等。
图13是图解根据本发明第四实施例的固态成像装置的示意图。在本实 施例中，包括于遮光像素21s中的二极管Dls的面积形成为小于其它二^f及管 (例如包括于白色像素2w和颜色像素2r、 2g和2b中的二极管)中的至少 一个的面积。在本示例中，其形成为小于白色像素和颜色像素的光电二极 管——即PDW和PDc ( PDr、 PDg、 PDb )——的面积。由于固态成像装置 的其它结构特征与参考图4的根据第一实施例的前述结构特征相似，所以与 图4对应的部分由相同的表示方法示出，其重复描述在此省略。
在前述的第一实施例中，假设了正方形的布置来描述所有像素的光电二 极管和二极管。然而，遮光像素的二极管Dls (Dlsl、 Dls2)的饱和电荷量 不必与白色像素和颜色像素中的其它光电二极管PDw和PDc相同。例如， 在由于光谱特性而使来自白色像素的输出成为来自绿色像素的输出的大约 两倍的情形下，饱和信号量可以通过减小遮光像素的二极管Dls的面积而在 白色像素和绿色像素之间平衡。
因此，通过根据第四实施例的固态成像装置，根据光谱特性，饱和信号 量可以通过将遮光像素的二极管Dls的面积减小至小于白色像素和颜色像素 中的其它光电二极管PDw和PDc的面积而在白色像素和例如红色像素、绿 色像素和蓝色像素的其它像素之间平衡。具有开口的像素的光电二极管PDw 和PDc (例如白色和颜色像素的光电二极管)的面积可以通过减小遮光像素 的二极管Dls的面积而增加，这也可以导致对聚光特性的改善做出贡献。在 通过遮光像素的二极管Dls的上述面积减小而腾出的区域中，可以配置除光
16电二极管之外的像素构成元件。例如，这些元件可以是在CMOS图像传感
器情形下的像素晶体管，或者在CCD图像传感器情形下的垂直转移寄存器。
此外，与第一实施例结构的前述效果相似的效果也可以通过本结构得到，例 如改善发光度信号灵敏度而不牺牲颜色信号的动态范围、抑制混色并从而改 善颜色的再现性等。
在第四实施例的结构中，也可以结合分别示于图9和图10中的上述内 部透镜和波导结构。
图14是概括地图解用于根据本发明另一个实施例的固态成像装置或 CMOS图像传感器的构造的图。本实施例的固态成像装置通过布置多个组来 设置，在该多个组中除转移晶体管之外的像素晶体管由多个像素共用，该多 个像素的每个设置有用作光电转换元件的光电二极管，在本示例中，四个像
素设置了四个光电二极管(在下文，这种组被称作共用像素)。
根据本实施例的固态成像装置51包括成像部分3 (所谓的像素部分)， 其中以二维阵列布置有多个共用像素(sharing pixel) 52;围绕成像部分配置 的外围电路，例如垂直驱动单元4、水平转移单元5和输出单元6。每个共 用像素52包括用作光电转换元件的多个光电二极管PD，即本示例中的四 个光电二极管PD;四个转移晶体管； 一个重置晶体管； 一个放大晶体管和 一个选择晶体管。
在共用像素52的电^4勾造中，如图14所示，这四个光电二极管PD( PD1 、 PD2、 PD3、 PD4)分别与对应的四个转移晶体管Trll、 Trl2、 Trl3和Trl4 的源极连接，并且四个转移晶体管Trll、 Trl2、 Trl3和Trl4的漏极与一个 重置晶体管Tr2的源极连接。用作形成在各转移晶体管Trll、 Trl2、 Trl3和 Trl4和重置晶体管Tr2之间的电荷-电压转换装置的公共浮置扩散区(FD ) 与一个放大晶体管Tr3的栅极连接。放大晶体管Tr3的源极与一个选择晶体 管Tr4的漏极连接。重置晶体管Tr2和放大晶体管Tr3的漏极均与源电压供 给单元连接。此外，选择晶体管Tr4的源极与垂直信号线8连接。
行转移信号(j)TRGl、 cf)TRG2、 (J) TRG3和4> TRG4分别施加至转移晶 体管Trll、 Trl2、 Trl3和Trl4的栅极；行重置信号小RST施加至重置晶体 管Tr2的栅极；行选择信号4> SEL施加至选择晶体管Tr4的栅极。
由于垂直驱动单元4、水平转移单元5、输出单元6等的构造与前面参 考图3所描述的相似。所以其重复描述在此省略。此外，图15A、 15B和15C是图解根据本发明第五实施例的共用像素 52的平面构造的示意图。根据本实施例的一组共用像素52包括沿垂直和水 平方向各两个、总共四个像素。该作为共用像素52的一个组对应于上述的 图4、 5A、 5B和5C的单元，并且共用像素包括红色、绿色和蓝色光电二 极管中的一个颜色光电二极管PDc; —个白色光电二^f及管PDw;和两个遮光 二极管Dls (Dlsl、 Dls2)。
在本实施例中，如图15A所示，公共浮置扩散区(FD) 54配置在结构 的中部从而被共用。光电二极管PDw、 PDc和二极管Dlsl、 Dls2以2乘2 的布置配置，即它们中的两个沿水平方向配置并且两个沿垂直方向配置，从 而使公共浮置扩散区(FD ) 54在该结构的中部。每个转移栅极电极55 ( 551 、 552、 553和554 )形成在每个光电二极管的角部分中。位于中部的浮置扩散 区(FD) 54形成为十字形的平面形状，在该十字形的中部具有高浓度区56 (在该示例中的n +区)，在该十字形的每个臂部分具有低浓度区57 (在该 示例中的n区)。为了要与这四个二极管PDw、 PDc、 PDlsl和PDls2公共地 连接，这里配置了具有n型源极区30/漏极区30和重置栅极电极26的重置 晶体管Tr2、具有n型源极区30/漏极区30和放大栅极电极27的放大晶体管 Tr3以及具有n型源极区30/漏极区30和选择栅极电极28的选择晶体管Tr4。
如图15B (沿图15A的线C-C截取的横截面图)和图15C (沿图15A 的线D-D截取的横截面图)所示，以与图5B和5C相似的方式，每个光电 二极管PD这样来形成通过在具有第一导电类型(本示例中为p型)的半 导体阱区31中设置具有与第一导电类型相反的第二导电类型(即n型)并 作为电荷积累区的半导体区32,并且通过在n型半导体区32的表面侧进一 步设置作为电荷积累层的p型半导体区33。器件隔离区23由p型半导体区 形成。
用于连接白色光电二极管PDw和遮光二极管Dls ( Dlsl ， Dls2 )的满溢 通路22以p-或者n-区(本示例中为n -区)形成在器件隔离区23中。位 于没有像素晶体管Tr形成在其表面侧的区域下方或者位于不横跨像素晶体 管的区域中的满溢通路22可以形成在相对浅的区域中，如图15B和15C所示。
如图15A、 15B和15C所示，光电二极管PD、 PDc、 PDw和二极管Dls (Dlsl、 Dls2)每个由具有相同面积和相同杂质浓度的半导体区域形成。即，每个二极管形成为具有相同的饱和电荷量。然而，如前参考图13所述，可
选择地，二极管Dls的面积可以形成为小于其它光电二极管PDw和PDc的面积。
同样地通过根据第五实施例的固态成像装置，可以得到与第 一 实施例结 构的前述效果相似的效果，例如改善发光度信号灵敏度而不牺牲颜色信号的 动态范围、抑制混色并从而改善颜色的再现性等。
此外，在第五实施例中，由于转移栅极电极55 ( 551到554 )形成为类 似三角形的形状(包括梯形)，具有面对浮置扩散区(FD) 54的凸出的顶部， 所以可以保证配置光电二极管的面积。因此，即使当像素尺寸小型化时，入 射光也不会在聚光的过程中受转移栅极电极妨碍并且可以充分保证饱和电 荷量。由于转移栅极的沟道宽度形成为在浮置扩散区(FD) 54 —侧比光电 二极管PD —侧宽，所以可以兼顾转移晶体管的截止特性(cutoff characteristics)和电荷转移特性。也就是，沟道宽度的这种改变导致沟道电 势的改变，并且产生电场使得从光电二极管PD侧到浮置扩散区(FD) 54 的电势变得较深。结果，改善了信号电荷的转移。此外，当转移晶体管Trl 截止时难于产生泄漏电流。
该泄漏电流抑制的原因将描述如下。在沟道宽度W全部恒定的情形下， 沟道电势改变的量在光电二极管PD侧和浮置扩散区(FD) 54侧相同。因 此，当转移栅极导通时，为了在沟道区域中施加转移方向的电场而产生电势 差，这使得即使转移栅极截止也会引起大的电势差量。作为对比，通过本实 施例的转移栅极，由于在浮置漂移区(FD) 54侧的电势改变大，假设光电 二极管PD侧和浮置扩散(FD) 54侧之间的沟道电势差和上述转移栅极导 通时相同，所以转移栅极截止时可以使得电势差较小。也就是，转移栅极截 止时浮置扩散(FD)侧的沟道闭合程度加强，并由此泄漏电流减小。
接着，下面将描述根据本发明第六实施例的固态成像装置。在上述的实 施例中，在设定照度和/或光闸(shutter)以使得信号电荷不泄漏至遮光像素 的条件下不需要读出遮光像素中的信号电荷。
因此，根据本发明第六实施例的固态成像装置构造为当为了不使信号电 荷泄漏至遮光像素而设定照度和/或光闸时遮光像素中的信号电荷不读出。
根据第六实施例，要读出的数据量可以减半。从而，如果保持帧速，则 电路的驱动频率可以减半，即可以抑制功率消耗。此外，如果维持电路驱动频率，则图片图像可以以两倍的速度输出。从而，与第一实施例结构的前述 效果相似的效果也可以通过本结构得到，例如改善发光度信号灵敏度而不牺 牲颜色信号的动态范围、抑制混色并从而改善颜色的再现性等。
本实施例的固态成像装置也可以用于CCD图像传感器。图16A、 16B
和16C是图解根据本发明第七实施例的用于CCD图像传感器的固态成像装
置的示意图。图16A、 16B和16C示意性地示出了像素结构，具体为成像部 分中一个单元的像素结构。
尽管这里在图中未示出，正如通常已知的，根据本实施例的CCD图像 传感器可以通过包括多个二维布置的像素、CCD结构的垂直移位寄存器、 CCD结构的水平移位寄存器、和输出单元来设置，其中垂直移位寄存器构 造为读出每个像素行的信号电荷并沿垂直方向这样该信号电荷，水平移位寄 存器构造为接收从每个垂直移位寄存器转移的信号电荷并沿水平方向转移 该信号电荷。
参考图16A,在本实施例中， 一个单元通过包括沿垂直和水平方向各两 个、总共四个像素而形成。即，遮光二极管Dlsl和颜色光电二极管PDc(PDr、 PDg、 PDb)沿第一列重复配置，白色光电二极管PDw和遮光二极管Dls2 沿第二列重复配置。以与图4相似的方式，作为一个单元的四个二极管布置 为使得颜色光电二极管PDc和白色光电二极管PDw沿一条对角线配置，两 个遮光二极管Dlsl和Dls2沿另一条对角线配置。
对于颜色光电二极管PDc，红色光电二极管PDr、绿色光电二极管PDg 和蓝色光电二极管PDb重复地沿垂直方向配置，当整体上观察成像部分时形 成颜色光电二极管的拜耳布置。对应于沿第一列的二极管序列，例如通过n 型转移沟道63、栅极绝缘膜64和转移电极65形成第一列的垂直转移寄存器 61 (见图16B);对应于沿第二列的二极管序列，例如通过转移沟道63、栅 极绝缘膜64和转移电极65相似地形成第二列的另 一个垂直转移寄存器62。
每个光电二极管PD通过包括例如成为电荷积累区的n型半导体区66 和在半导体区66的表面上的p+积累区67而形成。尽管这里省略了具体细 节，但是每个都包括光电二极管PD和垂直转移寄存器的单元像素通过沟道 停止区彼此隔开，沟道停止区由p+区和p-型半导体阱区形成。
遮光二极管Dlsl和颜色光电二极管PDc的电荷读出至第一列的垂直转 移寄存器61,而白色光电二极管PDw和遮光二极管Dls2的电荷读出至第二列的垂直转移寄存器62。
在形成单元的以2乘2的布置配置的四个二极管中，第一列中的遮光二 极管Dlsl和第二列中的白色光电二极管PDw通过满溢通路22连接，第二 列中的白色光电二极管PDw和遮光二极管Dls2通过另 一个满溢通路22连 接。在垂直转移寄存器61上伸展的满溢通路22形成在相对深的位置，如图 16B所示(沿图16A的线E-E截取的截面图)；而不在垂直转移寄存器61 和62上伸展的另 一个满溢通路22形成在相对浅的位置中，如图16C所示(沿 图16A的线F-F截取的截面图)。由于满溢通路22的其它特征以及芯片上透 镜、滤色器等的结构类似于先前参考图4所描述的，所以其重复描述在此省 略。
此外，对于根据本实施例的CCD图像传感器，也可以适当地引入一些 上述特征，例如使遮光二极管Dls的面积小于其它光电二极管的构造、内部 透镜、波导结构等。
同样地根据第七实施例的CCD成像传感器，由于像素结构与第一实施 例采用的像素结构相似，所以可以得到相似的效果，例如改善发光度信号灵 敏度而不牺牲颜色信号的动态范围、抑制混色并从而改善颜色的再现性等。
尽管已经在上述实施例中描述了包括红、绿和蓝基色滤色器的颜色像素 结构的示例，但是该结构不局限于这些示例，颜色像素结构可以包括青、洋 红和黄互补色滤色器。
图17是图解设置有根据本发明实施例的上述CMOS或者CCD固态成 像装置的照相机的构造的简化示意图。参考图17,根据本实施例的照相机 70通过包括光学系统(光学透镜)71、固态成像装置72和信号处理电路73 而设置。作为要包括于照相机中的固态成像装置72,可以采用具有上述实施 例中描述的像素结构的任一个固态成像装置，并优选在第 一或第四实施例中 详细描述的结构。根据本实施例的照相机也可以还可以提供这样的实施例 通过使光学系统(光学透镜)71、固态成像装置72和信号处理电路73模块 化而形成照相机模块。光学系统71在固态成像装置72的成像表面上将光图 像(入射光)成像。从而，信号电荷在固态成像装置72的光电转换元件中 积累固定的时间段。信号处理单元73对来自固态成像装置72的输出信号提 供大量的信号处理，随后输出处理了的信号。
通过本实施例的照相机，由于该照相机设置了根据本发明实施例的固态
21成像装置，可以得到高灵敏度和高输出的图片图像。
根据本发明实施例，也可以提供各种电子装置，例如包括图17的上述 照相机或者照相机模块的移动装置。
本领域技术人员应当理解，在权利要求或其等同特征的范围内，可以根 据设计需要和其他因素来进行各种修改、组合、部分组合及替换。
本发明包含于2008年2月26日提交至日本专利局的日本专利申请JP 2008-045213涉及的主题，将其全部内容引用结合于此。
权利要求
1、一种固态成像装置，包括包括元件组的成像部分，所述元件组包括颜色光电转换元件，构造为将在第一、第二和第三波长范围内的光信号分别转换成电信号；白色光电转换元件，构造为将在包括整个可见光范围和部分红外光范围的波长范围内的光信号转换成电信号；和遮光二极管元件，构造为被遮光；以及外围电路，围绕所述成像部分配置，其中在所述成像部分中，通过包括白色光电转换元件和遮光二极管元件来对应于一个颜色光电转换元件而形成单元，在所述单元内，所述白色光电转换元件通过满溢通路与所述遮光二极管元件电连接。
2、 根据权利要求1所述的固态成像装置，其中所述单元通过包括沿垂直和水平方向各两个、总共四个元件而形成，第 一个是所述白色光电转换元件，第二个是一个颜色光电转换元件，第三个是 所述遮光二极管元件，第四个是另一个遮光二极管元件，在该单元内，所述 白色光电转换元件与所述一个颜色光电转换元件成对角线配置，两个所述遮 光二极管元件的每个都通过满溢通路与所述白色光电转换元件电连接。
3、 根据权利要求2所述的固态成像装置，其中 所述颜色光电转换元件的组配置为形成拜耳布置。
4、 根据权利要求3所述的固态成像装置，其中所述成像部分还包括芯片上透镜，每个芯片上透镜在空间上对应于所述 一个颜色光电转换元件和所述白色光电转换元件并配置为形成倾斜像素布置。
5、 根据权利要求4所述的固态成像装置，其中 所述成像部分还包括内部透镜以用作聚光结构。
6、 根据权利要求4所述的固态成像装置，其中 所述成像部分还包括光学波导以用作聚光结构。
7、 根据权利要求4所述的固态成像装置，其中所述遮光二极管元件的面积小于所述光电转换元件和所述白色光电转 换元件中至少 一个的面积。
8、 根据权利要求4所述的固态成像装置，其中在所述成像部分中，浮置扩散区、放大晶体管和重置晶体管配置为被多 个所述元件共用。
9、 根据权利要求1所述的固态成像装置，其中所述单元包括一个白色光电转换元件和两个遮光二极管元件。
10、 根据权利要求1所述的固态成像装置，其中所述颜色光电转换元件的组配置为形成拜耳布置。
11、 根据权利要求1所述的固态成像装置，其中 所述成像部分还包括芯片上透镜，每个芯片上透镜在空间上对应于所述一个颜色光电转换元件和所述白色光电转换元件并配置为形成倾斜像素布置。
12、 根据权利要求1所述的固态成像装置，其中 所述成像部分还包括内部透镜以用作聚光结构。
13、 根据权利要求1所述的固态成像装置，其中 所述成像部分还包括光学波导以用作聚光结构。
14、 根据权利要求1所述的固态成像装置，其中所述遮光二极管元件的面积小于所述颜色光电转换元件和所述白色光 电转换元件中至少 一 个的面积。
15、 根据权利要求1所述的固态成像装置，其中所述第一波长范围是蓝色滤色器的波长范围，所述第二波长范围是绿色 滤色器的波长范围，而所述第三波长范围是红色滤色器的波长范围。
16、 根据权利要求1所述的固态成像装置，其中所述第一波长范围是青色滤色器的波长范围，所述第二波长范围是洋红 色滤色器的波长范围，而所述第三波长范围是黄色滤色器的波长范围。
17、 一种照相4几，包括 固态成像装置；光学系统，构造为将入射光引导至包括在所述固态成像装置中的光电转 换元件；和信号处理单元，构造为处理来自所述固态成像装置的输出信号； 其中所述固态成像装置包括元件组，所述光电转换元件组包括颜色光 电转换元件，构造为将在第一、第二和第三波长范围内的光信号分别转换成 电信号；白色光电转换元件，构造为将在包括整个可见光范围和部分红外光范围的波长范围内的光信号转换成电信号；和遮光二极管元件，构造为被遮光；并且其中通过包括白色光电转换元件和遮光二极管元件来对应于一个颜色 光电转换元件而形成单元，在所述单元内，所述白色光电转换元件通过满溢 通路与所述遮光二极管元件电连接。
18、 根据权利要求17所述的照相机，其中所述单元通过包括沿垂直和水平方向各两个、总共四个元件而形成，第 一个是所述白色光电转换元件，第二个是所述一个颜色光电转换元件，第三 个是所述遮光二极管元件，第四个是另一个遮光二极管元件，在该单元内， 所述白色光电转换元件与所述一个颜色光电转换元件成对角线配置，两个所 述遮光二极管元件的每个通过满溢通路与所述白色光电转换元件电连接。
19、 根据权利要求18所述的固态成像装置，其中 所述颜色光电转换元件的组配置为形成拜耳布置。
20、 根据权利要求19所述的固态成像装置，其中所述固态成像装置还包括芯片上透镜，每个芯片上透镜在空间上对应于 所述一个颜色光电转换元件和所述白色光电转换元件并配置为形成倾斜像 素布置。
全文摘要
本发明公开了一种固态成像装置和照相机。该固态成像装置包括元件组，该元件组至少包括颜色光电转换元件，构造为将在第一、第二和第三波长范围内的光信号分别转换成电信号；白色光电转换元件，构造为将在包括整个可见光范围和部分红外光范围的波长范围内的光信号转换成电信号；和遮光二极管元件，构造为被遮光。通过包括白色光电转换元件和遮光二极管元件来对应于一个颜色光电转换元件而形成单元，在该单元内，白色光电转换元件通过满溢通路与遮光二极管元件电连接。
文档编号H04N5/374GK101521216SQ200910008380
公开日2009年9月2日 申请日期2009年2月26日 优先权日2008年2月26日
发明者工藤义治 申请人:索尼株式会社